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第 11 章 s 区元素及其重要化合物

第 11 章 s 区元素及其重要化合物. §11—1 氢 §11—2 碱金属和碱土金属的通性 §11—3 碱金属和碱土金属元素 及其重要化合物. §11 — 1 氢. Hydrogen. H. 氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素 . · · · · · ·. 在化学元素中，氢的如下性质是独一无二的：. 氢是宇宙中丰度最大的元素, 按原子数计占90%, 按质量计则占75%。. 2. 氢的三种同位素质量之间的相对差值特别高，并因此而各有自己的名称, 这在周期表元素中绝无仅有。.

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第 11 章 s 区元素及其重要化合物

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  1. 第11章 s区元素及其重要化合物 • §11—1 氢 • §11—2 碱金属和碱土金属的通性 • §11—3 碱金属和碱土金属元素 • 及其重要化合物

  2. §11—1 氢 Hydrogen

  3. H 氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素.······

  4. 在化学元素中，氢的如下性质是独一无二的： • 氢是宇宙中丰度最大的元素, 按原子数计占90%, 按质量计则占75%。 2. 氢的三种同位素质量之间的相对差值特别高，并因此而各有自己的名称, 这在周期表元素中绝无仅有。 3. 氢原子是周期表中结构最简单的原子。 4. 氢化学是内容最丰富的元素化学领域之一。 • 氢形成氢键。如果没有氢键，地球上不会存在液态水！人体内将不存在现在的DNA双螺旋链！ 6. 氢是周期表中唯一尚未找到确切位置的元素。

  5. 1.氢是宇宙中最丰富的元素 一、氢在自然界的分布 地壳三界（大气、水、岩石）: 以化合物形式存在。 原子分比:17%，仅次于氧，排第二位。 整个宇宙充满了氢: 氢是太阳大气的主要成份：是太阳发生热核反应的主要原料：原子百分比:81.75%； 氢是木星大气的主要成份:根据先锋飞船探测得知，木星大气含氢原子百分比:82%，氦17%，其他元素<1%。

  6. 2.氢的同位素 （氕，H）:丰度最大，原子百分比:99.98% （氘，D）:丰度可变，平均原子百分比:0.016% （氚，T）:放射性同位素.在大气层,宇宙射线裂变产物中:1021个H含有有一个31H. 人造同位素:可制: : + + 三种同位素，核外均1e，所以化学性质相似。但质量1,2,3相差较大，所以导致了它们的单质、化合物物理性质上的差异. H2. b.p :20.2K；D2. b.p :23.3K

  7. m.p:-259.14°C;b.p-252.8°C;临界温度33.19K， 临界压力12.98大气压，气体密度0.0899克/升； 273K时， 1dm3水溶解0.02dm3H2;稍溶于有 机溶剂。分子量最小。分子间作用力弱，所以难液 化，20K时才液化。密度最小， 故常用来填充气球。 二、氢的性质 1.单质氢 (1)物理性质:H——H：无色无臭气体。 （2）化学性质: H—H， ，D=436KJ/mol 比一般单键 高，接近双键离解能。所以常温下惰性，但特殊条 件下反应迅速进行。 74pm

  8. 氢的成键特征: 由于氢的电子结构: 1s1，且电负性为x=2.2，与其他元素的原子化合时，有以下几种成键情况: （2）形成共价键: （1）形成离子键: KH ,NaH ,CaH2 . 离子型氢化物: H — : a.形成非极性共价键 :如H2单质,表现0氧化态. b.形成极性共价键:与非金属的元素的原子化合:HCl，HBr，H2O等，表现“+1”氧化态.

  9. （3）独特的键型 a.氢原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中，形成一类非整比化合物，一般称之为金属氢化物。例:ZrH1.75和LaH2.78 b.在硼氢化合物（如B2H6）和某些过渡金属配合物中均以桥键存在: 如：B利用sp3杂化轨道，与氢形成三中心两电子 键。 （氢桥）

  10. 要点：B的杂化方式，三中心两电子氢桥键。 记作：

  11. c氢键：在含有强极性键的共价氢化物中（例H2O，HF，HCl，NH3中）由于氢原子与一个电负性很强的原子相结合，共用电子对强烈偏向电负性强的原子使氢变成近乎裸露的H+，可以与另一个电负性高，有孤对电子的原子形成氢键。c氢键：在含有强极性键的共价氢化物中（例H2O，HF，HCl，NH3中）由于氢原子与一个电负性很强的原子相结合，共用电子对强烈偏向电负性强的原子使氢变成近乎裸露的H+，可以与另一个电负性高，有孤对电子的原子形成氢键。 冰的空间构型

  12. i.与卤素反应： H2 + F2 → 2HF （低温，暗处，爆炸，激烈） H2 + Cl2 → 2HCl（h٧光照，点燃，才能反应） H2 + Br2 →2HBr（h٧光照，点燃，才能反应） H2 + I2 2HI (高温反应，且可逆） ⅱ.与氧反应： 2H2 + O2→2H2O 注：H2在O2中安全燃烧生成H2O，温度可达到 3273K，故可切、焊金属。

  13. 爆炸混合物： H2：O2 = 2 ：1（体积比） ， 或H2含量：6～67% （氢气—空气混合物） 爆炸极限的概念 ⅲ.与金属氧化物、卤化物反应→制高纯金属 CuO + H2→ H2O + Cu （加热） Fe3O4 + 4H2→4H2O + 3Fe（加热） WO3 + 3H2→3H2O + W （加热） TiCl4 + 2H2→4HCl + Ti （加热）

  14. ⅳ.与CO、不饱和烃反应： CO + 2H2CH3OH CH2=CH2 + H2 CH3CH3 有机反应 ⅴ.与活泼金属反应： 高温下 ：2Na + H2 2Na H 制离子型氢化物方法 Ca + H2 Ca H2 结论：H2的化学性质以还原性为主要特征。

  15. 2.氢的制备方法 • （1）实验室法： • ⅰ. Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 • （Fe） （H2SO4） • ⅲ.电解法： • 25%的KOH或NaOH电解液： • 阴极：2H2O + 2e →H2↑ + 2OH— • 阳极：4OH— - 4e →O2↑ + 2 H2O 加热 ⅱ.用Pd、Ni吸附H2 → 高纯H2

  16. （2）工业制备方法 • ⅰ.氯碱工业制H2：电解饱和食盐水： • 阴极：2H2O + 2e →H2↑+ 2OH— • 阳极： 2Cl— - 2e →Cl2↑ • ⅱ.C还原水蒸气： • C（赤热）+ H2O（g） →H2 ↑ + CO • （水煤气）直接做工业燃料，民用管道煤气。 • ⅲ.甲烷催化分解或水蒸气转化： • ⅳ.烷烃脱H2：C2H6（g） →CH2=CH2 + H2 • （直接合成氨) （3）野外生氢H2： Si +2NaOH（aq）+ H2O→ 2 H2↑ + Na2SiO3 Si（s） +2NaOH（s）+ Ca（OH）2（s） → 2 H2 ↑ + Na2SiO3+ Ca

  17. 三、氢的用途——Uses ofhydrogen 1.重要的工业原料

  18. 燃 料 燃烧值/kJ·kg-1 氢 气（H2） 120918 戊硼烷（B5H9） 64183 戊 烷（C5H12） 43367 2.未来的能源 1KgH2完全燃烧放热120918KJ，故是高能 燃料，无污染、环保型燃料。

  19. ★氢燃烧速率快，反应完全. 氢能源是清洁能源，没有环境污染，能保持生态平衡. ★ 目前，已实验成功用氢作动力的汽车，有望不久能投入实用。氢作为航天飞机的燃料已经成为现实，有的航天飞机的液态氢储罐存有近 1800 m3的液态氢 氢能源—21世纪的清洁能源

  20. ★氢能源研究面临的三大问题： 氢气的发生（降低生产成本） 氢气的储存氢气的输送（利用） （1）发生： 从能量的观点看，利用太阳能光解海水最适宜。目前的研究均以过渡金属配合物为催化剂，光解海水远未达到生产规模。 （2) 储存： 因密度小，不安全，装运难度大.目前使用高压容器储存。使用不便，有危险。很多人正在从事金属氢化物的可逆储氢研究。 （3）利用：氢气的输送

  21. 清洁能源未必清洁——美国学者提出氢能源可能损伤臭氧层清洁能源未必清洁——美国学者提出氢能源可能损伤臭氧层 氢燃料被誉为清洁燃料而大行其道，并有取代矿 物燃料的态势，但发表在2004年6月13日美国《科 学》杂志上的一篇论文却提出异议：氢燃料的大力推 广和使用，会加大对可有效防止地球遭受紫外线辐射 的臭氧层的损害。 文中表示：这一论断并不能防止氢燃料电池的发 展，但当人们考虑到可能需要采取某些措施以防止氢 燃料燃烧带来的环境恶化时，会对这一观点予以重 视。

  22. 与燃烧后产生大量污染空气的温室气体的 矿物燃料不同，氢燃料电池在释放能量后产生 的仅仅是水，因此氢燃料一直被看做是发展前 景绝佳的清洁能源。今年早些时候，布什总统 将发展氢能源作为优先考虑的高等能源，氢能 源便成为有关能源的辩论中最有力而时髦的字 眼。美国国会计划在氢能源研究方面再投入几 十亿美元的专款，布什政府也在讨论如何进一 步在国际社会推进氢能源发展。

  23. 但是在这篇论文里，来自加利福尼亚科技 学院的研究者们提出了这样一种可能性：即氢 能源并非自始至终都无碍于环境。 如果氢燃料完全取代了矿物燃料，10～20％的 氢可能会在车辆或发电站的输送管道、贮藏设备、处 理设备和燃料电池中泄漏。氢分子重量轻，极易向天 空扩散，大量使用氢燃料后，在使用过程中释放出的 氢分子与自然环境中的氢分子加在一起，数量将是原 来的3倍。它们升到平流层后会被氧化形成水。这将 降低平流层的温度并干扰臭氧层的化学物质，令北极 与南极上空的臭氧层空洞增大，损害面积甚至将达 8％。

  24. UV射线 O3 50Km 大气层 15Km

  25. 臭氧层的作用毋庸置疑，它可以阻挡来自太阳的紫外线照射，人类接受紫外线照射时间过长会患上皮肤癌、白内障等疾病。 加利福尼亚理工学院的研究员们认为，在限制使用含氯氟烃的国际条约的制约和保护下，臭氧层损耗可得到控制。但一旦平流层的氢浓度迅速增加，臭氧层的恢复进度将大为延误。 德国科学家警告氢能源会破坏臭氧层 德国科学家对八国集团和欧盟有关加快开发氢能源技术的策略提出了批评。德国化学家协会成员于尔根·梅茨格说，未来能源全面转向氢能源可能会带来负面效应。

  26. §11—2 碱金属和碱土金属的通性 一、碱金属与碱土金属的价层电子结构 IA：ns1；IIA：ns2 构成了s区元素 碱金属(IA ): ns1 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr（因其氢氧化物均为强碱而得名） 碱土金属(IIA ): ns2 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Ca,Sr,Ba氧化物性质介于碱金属和“土性的”难溶氧化物Al2O3等之间，所以称为碱土金属 。

  27. 二、元素性质（都是活泼金属）的递变规律： IA元素它们均很容易失去1e→M+（M+具有8e稳定结构，所以不易再失去电子，这一点从I2很高也可以看出。） 金属活泼性从上到下增强（因为原子半径从上到下增大，电离能，电负性从上到下减小。） IIA族元素：比IA族元素多了一个电荷，所以核对外层2e吸引力增强，所以碱土金属半径小于碱金属，失电子能力小于IA族。 但它们仍是相当活泼的金属元素，仅次于IA，常失去2e→M2+,金属活泼性从上到下增强。原因同上。

  28. IA IIA Li Be Na Mg K Ca Rb Sr Cs Ba 原子半径增大 金属性、还原性增强 电离能、电负性减小 原子半径减小 金属性、还原性减弱 电离能、电负性增大

  29. 三、成键特征 1.大多数情况下失去一个e或两个e→M+或M2+,形成稳定离子键. 2.在某些特殊情况下，Li，Be,Mg,由于原子半径太小，电离能较高，所以形成共价键的倾向增大， Li，Be，Mg,常表现出与本族元素性质不同的地方。 四、Li，Be，Mg,的特殊性 1.周期表中的斜线关系：对角线规则 Li BeBC NaMgAl Si

  30. 2. 锂与镁的相似性 ⑴ 单质与氧作用生成正常氧化物 ⑵ Li（OH），Mg（OH）2受热分解为Li2O， MgO，而其他IA族受热升华而不分解。氢氧化物 均为中强 碱，且水中溶解度不大。 ⑶ 氟化物、碳酸盐、磷酸盐均难溶，因为晶格能 大。而NaF易溶。 ⑷ 氯化物均能溶于有机溶剂中 ⑸ 碳酸盐受热分解，产物为相应氧化物 （6）Li3N，Mg3N2稳定，而Na3N不稳定，25℃分 解。

  31. 3.Be-Al的相似性 金属表面形成致密的氧化膜，阻止金属破酸侵蚀。 氧化物、氢氧化物两性； 氯化物为路易斯酸BeCl2： 低温（BeCl2）2存在； AlCl3：（AlCl3）2存在。 Cl Cl Cl Cl Al Al Be Be Cl Cl Cl Cl Cl Cl

  32. 钠长石: 钾长石: 光卤石: 锂辉石: 绿柱石: 3BeO·Al2O3·6SiO2 五、碱金属与碱土金属在自然界的存在 由于IA，IIA元素化学活泼性强，所以不能以单质存在。均以矿物形式存在。 菱镁矿: 石 膏: 大理石: 萤 石 : 天青石: 重晶石: 碳酸锶矿：ＳｒＣＯ３

  33. C-208 Gc-717-18.23 TUPIAN 大理石: 绿柱石:

  34. §11—3 碱金属和碱土金属 元素及其重要化合物 一、单质的性质和制备 1 . 单质的物理性质和化学性质 2. 单质的制备

  35. 单质的外观特征： Gc2-704-18.8 K Li Na Rb Cs 图片 Gc2-711-18.14 Be Mg Ca Sr Ba

  36. 1.单质的物理性质和化学性质: （1）物理性质 有金属光泽 密度小 硬度小： 熔点低 导电、导热性好 Gc2-705-18.9 图片 s区单质的熔点变化

  37. a.IA、IIA除Be、Mg外均较软，可用刀子切割。 b.Li、Na、K密度小于1，浮在水面上。（实验室Li保存在石蜡中，Na、K保存在煤油中） c.Cs具有光电效应，因为其表面电子活性极高，表面受光照，即可逸出。所以常被用来制造光电管的阴极。 d.IA金属能形成液态合金：例：Na-Hg齐合金：一种温和的还原剂；Na-K合金，比热高，被用于核反应堆的冷却剂。 e.IA，IIA金属均具有光泽，良好的导电性，导热性，延展性，且IIA族金属m.p，b.p，密度，硬度均高于IA。因为IIA中为2个价电子金属键强。

  38. （2）单质的化学性质 a.与氧、硫、氮、卤素等非金属反应，形成相 应的化合物 单质在空气中燃烧，形成相应的氧化物： Li2O Na2O2 KO2 RbO2 CsO2 BeO MgO CaO SrO Ba2O2 Na2O2 Li2O Gc2-706-18.12 KO2

  39. 镁带的燃烧 图C-551-(a)

  40. b. 与水作用2M + 2H2O → 2MOH + H2（g）剧烈反应 Ca Li K Na Ca+2H2O=Ca（OH）2+ H2（放热） Ca、Sr、Ba与水反应较慢，因为它们的氢氧化物溶解度较小，覆盖在表面，缓和了反应进度。 Be，Ｍｇ表面形成致密的保护膜 ,不与水反应。

  41. C.强还原性： TiCl4 + 4Na ==== Ti + 4NaCl 从氯化物中还原金属。 ZrO2 + Ca ==== Zr + 2CaO 从氧化物中还原金属。 d.焰色反应：Ca、Sr、Ba及IA族金属的挥发性化合物在高温火焰中电子易被激发，当电子从较高能级到较低能级时，便以光形式释放能量，使火焰具有特征颜色。 Li+红色Ca2+橙红色 Na+黄色 Sr2+洋红色 K+,Rb+, Cs+紫色Ba2+绿色

  42. Li Na K 焰色反应 图 Cpp-262 Ca Sr Ba

  43. 与液氨的作用 蓝色溶液：氨合电子： Na →Na+ + e , e + yNH3→(NH3)y- ,蓝色

  44. 2 .制备方法 因为具有强还原性：熔盐电解法；热还原法。 （1）熔盐电解法： 以氯化物（NaCl）为原料，加入助熔剂（CaCl2），使熔点降低。 电 解 石墨阳极（+）2Cl－=Cl2+2e 铁环阴极（－）2Na++2e=2Na 总反应：2 NaCl====2Na+ Cl2 （2）氧化镁的热还原： MgO（S）+C（S）=========CO（g）+Mg（g） Δ电弧炉 >2100K

  45. 二、碱金属和碱土金属元素的重要化合物 1.氧化物 2.氢氧化物 3.重要盐类及其性质

  46. 1.氧化物 （1）形成四类氧化物 正常氧化物(O2-) 过氧化物(O22-) 超氧化物(O2-) 稳定性: O2- > O2- > O22- 臭氧化物(O3-)

  47. （2）制备 直接: 间接: 2M+ O2——2MO 正常氧化物 3KOH（S）+3 O3（g）——2KO3（S）+KOH·H2O（S）+1/2 O2 KO3 桔红色，不稳定易分解：KO2+O2

  48. （3）化学性质： 碱性，与水反应，与酸性氧化物反应 (1) 与H2O的作用: （Li  Cs剧烈程度） （BeO除外） 4 NaO3（S）+2H2O === 4NaOH + 5O2 CaO (SrO,BaO) + H2O=Ca（OH）2（S）; 煅烧过的BeO,MgO难溶于水，且熔点高，用于制作耐火材料。

  49. b.与CO2的作用 Na2O2（高空飞行和潜水供氧剂）

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